Summary
小型、低コストの環境センサーの出現により、ハイパーのローカライズされた温度変化を測定するセンサーの高密度ネットワークを展開ことは今です。ここでは、安価な thermochrons で使用する前に説明したカスタム作製放射線シールドのコンパクト バージョンを構築する詳細な方法論を提供します。
Abstract
低コスト温度センサーは、気候変動を評価し、関連する生態学的スケールで変更する生態学者によってますます使用されます。コスト効率の高い、適切な日射遮蔽、デプロイされていない場合これらのセンサーの観測は偏りのあり、不正確になります。製造された放射線シールドはこのバイアスを最小限に抑えることで効果が高価なこれらのセンサーのコストを比較します。ここでは、シールド サイズや建設コストを最小化しようとすると、他の公開されたシールドの方法よりも正確である前述のカスタム加工放射線シールドのコンパクト バージョンを構築する詳細な方法論を提供します。このメソッドは、ほとんどの材料: プラスチック シート、アルミ箔粘着テープ、ケーブルタイを段ボールします。1 つの 15 cm とプラダン 2 10 センチの正方形は、各シールドの使用されます。切断、得点、テーピング、シートのステープル後、10 cm の正方形は太陽放射の 2 層シールド、15 cm 角は上位層を形成しながら底を形成します。3 つのシートは、ケーブルタイと一緒に開催しています。このコンパクトな太陽放射シールドを中断、または、平らな面に配置できます。確実にシールドが完全にセンサーに到達から直接日射を防ぐために地面に平行で朝と午後の元の大きな基準太陽露出サイトで暖かいバイアスを増加可能性に注意する必要があります。デザイン。そうであっても、小さく、コンパクトなシールド設計とオリジナル間の記録された温度差が小さかった (昼間バイアスの意味 = 0.06 の ° C)。建設費は、オリジナルのシールド設計と多くのフィールド生態設定で有利なことができるより少なく顕著な楽器で新しい設計の結果の半分以下です。
Introduction
人為的地球温暖化の光の中でさまざまな設定を理解し、生態学的応答に気候変動1,2,3予測気温を記録の関心の高まりがあった。小型、低コストの環境データ レコーダー (データ ロガー、thermochrons、または hygrochrons とも呼ばれる) の出現により、それはハイパーのローカライズされた温度変化を測定するセンサーの高密度ネットワークを展開することが可能今増加生態学者の能力より直接周囲環境の生物、生態系調査の下で経験を観察します。既存、よく調整され厳密にテストの比較 — しかしまばら-永久的な天気予報ステーションでは、生態学的関連性の高いスケールで気候変動を評価するためにそのようなネットワークの存在の機会が、正確性や比較可能性を減らすことができます調査の間で一貫性のないまたは不適切な場合は展開。
地表付近の空気温度センサー通常誤って暖かい測定すると、センサーの要素の直接加熱を防ぐためにシールド日射のいくつかのタイプが必要です。センサーのバイアスを制限する一般的な方法: ツリー 1) など、既存の環境の機能を使用してシェーディング42) バイアス補正と修正を派生センサー校正5センサーの熱的性質と 3) の使用に基づいて、製造し、又は加工カスタム盾6,7。多くの研究者は、低コストかつ簡単な展開と環境条件が自然な陰影を与えない状況の必要性のためカスタム作製した盾を使用する選択します。ただし、生態学的な文献のレビューには、カスタム作製した盾のデザインは研究、大きく異なり、個々 のデザインをほとんど検査精度が示されます。未検証の盾は材料、センサー、日射センサー自体の直接の吸収または 3 ° の平均バイアスにつながる両方を囲む空気の分子の追加加熱を引き起こすデザインのお粗末な選択に敏感にすることができます。C7。その一方で、シンプルでコスト効率の高いデザイン6,7シールド センサー (バイアス 1 ° C 以下) で非常に効果的、商業的に製造された放射線シールドに匹敵します。
ここでは、安価な thermochron 温度センサーを使用する以前に評価されたカスタム作製放射線シールド7を構築するため詳細な方法論を提供します。シールド設計は以前説明し、テスト設定6オープンのポンデローサマツ森林での変更です。いくつかのカスタム作製シールド デザインの最近のテストで小さな thermochrons7と組み合わせれば最低のバイアスで起因したこの山地テスト シールドしますが、面倒でも顕著なフィールドで展開すると分かった。ここで提案されたプロトコルの設計では、放射線シールドの大きさを 50% 減少します。このようなサイズの減少はいくつかの利点: 1) それはより少なく顕著なしたがって改ざんを受け、2) 投げ打って使える多様な生態環境のスペースが限られている (例えばより小さい都市の街路樹に)、3) itその他公開シールド サイズや建設コスト7と 4 を最小限にしようとすると、シールドの方法よりも正確です) 必要な建設材料の減らされた量のため、元より大きい設計よりも安価であります。構法を説明した後は、高下方日射条件下で実施した実証実験の結果を使用してオリジナルのシールド設計基準センサー精度にサイズの縮小の効果を調べる。
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Protocol
1. 放射線シールド工事
- ユーティリティ ナイフを使用して、正方形 (図 1 a) にプラスチックの波板をカットします。各シールドの必要 1 つは 15 cm 角と 2 つの 10 cm の正方形になります。
- 小さな放射線シールド (図 1 b; 左の画像) の最上位のレイヤーの削減:
- 15 cm 角の 1 つの端から 4 cm を測定し、鉛筆で線を引きます。ガイドとして直定規を使用して、線に沿ってスコアします。(ここで、「得点」意味シート全体ではなく、プラスチックの波板の 1 つだけ層を通過するカットするナイフを使用します。)今後広場の端、このは「トップ」(図 1 b; 左の画像) と呼ばれるが。
- 4 cm ラインに垂直なエッジから 3.8 センチメートルを測定します。ガイドとして直定規を使用すると、(図 1 b; 左の画像) 4 cm ラインまで下からスコアします。
- 4 cm、3.8 cm の線の接合部に 4 cm の線の上の両方のコーナーから線を引きます。(図 1 b; 左の画像) このラインに沿って切りなさい。
- 小さな放射線シールドの中間と下部のレイヤー カット (図 1 b; 中央と右の画像)。
- それぞれ 10 cm の正方形の真ん中に 6 cm の正方形を描画、直定規を使用して (図 1 b; 中央と右の画像)。
- 6 cm 角の各地と 6 cm 10 cm の正方形の外側の角に正方形の各コーナーからのスコア (図 1 b; 中央と右の画像)。
- 完全に、15 cm 角の得点側 10 cm の正方形の 1 つ、他の 10 cm 正方形の非得点側をカバーするのにアルミ箔テープを使用します。
- シールド層のそれぞれの図 1で示すように、穴を開けるビット、ドリル 1/4"を使用しています。
- センサー住宅 (またはその実装デバイス) のアイレットと 10 cm 平方の穴を通してケーブル ネクタイを実行することによって、真ん中に穴 2 つの穴を得点側テープ 10 cm の正方形の下側に温度センサーを取り付けますuare (図 1)。
- 折りたたみ式のシート。
- 得点の線に沿って 15 cm シートを折る。テープ側面を作るは、しっかりと折りにくい場合、圧力を必要可能性があります。
- 大きいバック フラップの内側に小さな三角形のフラップを挟みます。これが正しく行われ、録音された辺だけが上から表示されます。バックのフラップの切り口は、折り畳まれた側面と同じ高さにする必要があります。
- アルミテープの別の層を使用してバックのフラップに折り畳まれた側面を保護します。バックのフラップは加えられた強さのための大型のホッチキスと一緒に、またホチキス止めでした。
- 10 cm のシートを取るし、得点ライン対角線に沿って両側を一緒にピンチします。挟まの定番大型ホッチキスを使用して一緒に側面 (図 1E)。最終製品でお越しの際にもスクエア ボウル形状。
- 20 cm ケーブルタイと一緒にシートを結ぶ。
- 得点側では、3 つの穴にテープ 10 cm シートで始まるは、テープの側面を置きなさい。両方 10 cm シートの左の背面の穴を通してケーブル ネクタイをスレッドします。温度センサーの周りの空気の流れを確保するため 2 つのシートの間 2 cm 間隔をまま。右奥の穴にこの手順を繰り返します (図 1E; 中央と右の画像)。
- 15 cm のシートを取るし、(図 1E; 左の画像)、2 つのサイド ・ バイ ・ サイド穴、左奥のケーブル ネクタイを渡します。また 15 cm シートと上層 10 cm シートの上部 2 cm を残して 10 cm シートにこのネクタイを取り付けます。(図 1E; 左の画像) 右奥 2 - サイド バイ サイド穴についてこの手順を繰り返します。
- 最後に、(横の矢印で示すようにシートの前部のすべての 3 つの穴を 1 つのケーブルタイを通過します。図 1E)。スペースを確保するすべての 3 つのシート (図 1 f) の間でさえ、ケーブル ネクタイを締めます。
- 実装を容易にする最終組立製品のバックエンドに追加穴をドリルが必要です。シールドがマウントされている場所は、3 つのシートを地面に平行置くことを確認します。
図 1: 小さな放射線シールドを構築する手順について説明します。(A) 15 cm と 10 cm の正方形は、プラダンの大きなシートから切り出しています。(B) 、15 cm シートはカットし、得点し、正しい形にシールドの曲げを許可する 10 cm のシートを獲得しています。各シートに(C)穴します。(D)センサーは、10 cm のシートの 1 つに関連付けられています。(E)シールドは、いくつかのケーブルタイを使用して組み立てられます。(F)最終的なシールドはインストール準備完了です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Representative Results
代表的な結果が整っています、新しい thermochrons を使用して、小さいシールド設計、元より大きいシールド設計、放射線シールドで thermochrons の図 2 と図 3のとおりです。これらのデータは、ローリー、ノースカロライナの近く十分に露出される地方で記録された (35.728 ° N、78.680 ° W)、ヴァイサラ白金抵抗温度センサー (HMP45C) の中に取付けとうまく調整さ永久的な気象台に貼付されたと、風吸気アンチホッピング放射線シールド7。図 2 aひげが小さな放射線シールドおよび永久的な気象ステーションを使用して 4 つのセンサー間の記録された温度差の表示されます。すべての 4 つのテスト センサーにバイアスがある肯定的な (バイアスの意味 = 0.56 の ° C)、元より大きい盾のデザインを使用して見つけられるそれらに類似しているが、(図 2 b; 平均 = 0.56 の ° C)、シールド センサー (図 2 の cのバイアスよりも少ないと;意味 = 1.23 の ° C)。小さな盾は、オリジナルのシールド設計 (2 d 図) を基準にしていくつかの外れの気温を記録するセンサー、全般的に差は少ないものの (バイアスの意味 = 0.16 の ° C)。
図 2: 異なる放射の温度の相違を比較する実験から例の箱型図結果シールド トリートメント。Thermochrons (A)小型放射線シールド設計(B)との間の温度の相違の配布元の大規模な放射線シールド、および(C)ない盾と校正、恒久的な気象観測所の記録日当たりの良い、2015 年 8 月公開、ローリー、ノースカロライナ州の場所です。(D)は、小さな放射線シールド、大型シールド装備 thermochron (すなわちセンサー 3 b) 最小のバイアスを持っていた 4 つの thermochrons の記録された温度差の分布を示しています。7 ° C の上の相違点は、 Cのプロットから除外されます (値拡張最大 10.6 oC)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3バイアスの変化の性質は時系列で明らかです。図 2のように小規模および大規模な放射線シールドと校正の永久的な気象ステーション (図 3 a, 3 b) と themochrons 間の温度の相違が表示されます。暖かいバイアス最強ピーク太陽放射の期間が、両方のケースでシールド センサー (図 3 c) のバイアスよりもはるかに少ない。センサーが備わっています (図 3 d固体黒いライン) の元のデザインと比較して小さな放射線シールドのすべての組み合わせの平均温度差は昼間の時間帯 (0700-2000 h LST)、0.002 ° C と ° C の 0.06 です。興味深いことに、時間の推定標準偏差 (破線、図 3 d)、に関して最大の違いは、1400 と 0800 LST。午後には日の熱の間に大きい相違が放射線シールドの小さいサイズを考慮した予想されます。しかし、朝は日の出のすぐ後追加の大きい相違のソースが明確ではないとサブ最適なシールド センサーが原因である可能性があります (すなわちthermochrons はなかった地面に平行) に thermochrons を公開すると角度追加加熱。
図 3: 異なる放射線シールド治療を使用しての温度の相違を比較する実験から例時系列の結果します。温度の時系列はない盾と校正、恒久的な気象ステーションに記録される元の大規模な放射線シールドおよび(C) thermochrons (A)小型放射線シールド設計、 (B)とを違い日当たりの良い、2015 年 8 月公開、ローリー、ノースカロライナ州の場所です。平均 (黒の実線) と 2 つの標準偏差 (各時間の推定破線) シールド thermochrons のすべての組み合わせの間の温度の相違の (n = 4 の小盾、n = 5 の大盾) (D)に示すように。D A から Cまでと比較しての座標の軸にスケール変更をメモ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
精度と空気温度測定の再現性は、直接と反射日射量からセンサーを保護する適切な太陽のシールドの使用に依存します。ここでは精度を損なうことがなくよりコンパクトより少なく高価または同様、前述のデバイス6より高速を構築するようなシールドの建設について述べる。小さいシールドと thermochrons の記録された気温の 94% だった最高の thermochron 元の大きく、設備が整ってをパフォーマンスの 1.0 ° C 内放射線シールドと観測の 71 %0.25 ° C 以内
その大きな前駆体のようなこのシールドのデザインは、広く使用されている、受動的吸気ギル シールドの一種です。受動的なシールドの理想的な特性を含める様々 な角度から太陽放射からセンサーをシェーディング空気が自由にシールドを通過シールド材料8に最小限の放射線を吸収します。デザインはしばしばシェーディングと風量の妥協であります。受動的な空気の流れを最大限に引き出す設計を防ぐ完全に遮光してリスク ダイレクト センサーの暖房完全なシールドで空気の流れを妨げるし、大規模で空気と比較してシールド内の空気を暖房を危険にさらします。
パッシブ換気の盾として小さな放射線シールドが低風速 (1-2 ms-1未満) で正確な換気の欠乏が大きな7時の空気と比較してシールド内に空気の放射加熱を促進します。これは高価な製造されたものを含む受動の換気の盾でバイアスの普遍的なソースです。このバイアスは、機械的に吸気の盾で克服されるが、電気の要件はレプリケートされた圃場試験で一般的に禁止。受動的な盾のバイアスは、モデルに基づく訂正5,9,10により対処できます。このような修正では、ただし、風速ともカスタム作製の盾に依存する研究の種類の実用的なできない場合があります短波の放射の同時測定が必要です。最後のオプションは、正確にシールド方法を報告し、さまざまな研究で報告する温度を比較しようとして任意のリーダーは情報に基づいた解釈を行うことができますので、バイアスを認識することです。
ここで説明した小さな放射線シールド製造ギル シールドに比べ、0.75 ° C 設計7オリジナルのシールドと thermochrons のバイアスと比較して 0.81 の ° C の昼間バイアスしています。直接比較で、その性能は前述の大規模な放射線シールドほぼ区別なかったが、材料の大幅な節約を表します。我々 は $1.36 ドル (2015) 各材料、プラダン、アルミテープ、ケーブルタイなどの小さい放射線シールドを構築しました。対照的に、元の大きい放射線シールド プラスチックとアルミニウムの大量のためかかる $3 米国 (著者の 2013年推定) 4.75 ドル (当社推定)6。コストの見積もりは、ロガー自体、メーカー指定の取り付けブラケットやフィールドで、シールドをマウントする可能性があります任意の構造には含まれません。
その他の例は製造された盾11に対してもテストされているカスタム作製の盾の存在します。別の手作りギル盾1111 日テストでこのシールドのすべての空気温度測定の 3 分の 2 は製造ギル シールドで測定されるそれらの 1.0 ° C の内であった。私たちの小さな放射線シールドで thermochrons の精度 1 ° C 以内の太陽露出サイトで基準気象ステーション計器観測の 83% に、類似していた。手作りのギルのシールドは、構築、そのクリエイターを 45 分かかったと材料で 2 ドル (当社推定) 4 ドル (著者の 2007 年推定) にかかるコストします。再び、小さな放射線シールドは、材料や工事時間の節約を提供します。
理論予測材料、板の間隔、および倍の角度の変化が放射線をブロックまたは空気の流れを許可する盾の能力を変更し、結果をもたらすだろうが、小さな放射線シールド パラメーター変化の効果はテストしませんでした、ここで報告されたものとは異なる。直接と反射日射量からセンサーの最大シェーディング上から放射だけでなく下から反射放射と両側からローアングル放射をブロックする、示されているに折り畳まれているすべての 3 つのプレートが必要です。反映された放射からの保護は、雪、砂、舗装、および他の非植生面7,12にセンサーを配備する場合に特に重要です。シールド内の空気の流れは、プレート形状と間隔8; によって決まります現在のデザイン プレート折りたたみと間隔を変更は空気の流れに影響を与えるでしょう。最後に、外側の表面をアルミ コーティング付きの白い材料の使用は、シールド自体の放射加熱を最小化します。このプロパティを複製する反射アルミテープで上部と下部のシールド表面の完全なカバレッジが欠かせません。盾、きれい保たれる必要があるまたは汚れ、鳥の糞、やカビの蓄積はその反射率8が変更されます。最後に、我々 はまた、配列内の複数のセンサー間の比較可能性のためを注意シールド板の地面、地面ではなく常に簡単とき上の一貫性のある高度に並列で配置される必要があります彼ら自体表面の植生高さ10で異なります。
このシールドのデザインにさらなる改良は、間違いなく可能です。放射保護物の熱的性質を改善するためにアルミ表面に透明塗装材料の使用は、長い13を知られています。大規模な放射線シールドとテストでただし、他の著者検出されません (マイラー、白いペンキ) 追加のコーティングの利点アルミ テープだけで6の上。硬質発泡体スペーサー カスタム作製ギル盾11で記述されている、プレート間の付加はあるデザインを標準化でき、強い風で板のシフトを防止する別の潜在的な変更です。この盾の制限は、その建設が水平バーまたは支店の取り付けを必要とすることです。たとえば、その正しい向きを維持しながら上からこのシールド アセンブリを中断する、難しいでしょう。最後に、かさばるデータロガーの中心部の切り欠きを持つ別の小さなインテリア プレートの追加は、ロガーのプレートの間隔を変更することがなくより多くのスペースを作成することが望ましいかもしれません。これらの変更は追加コストと建築時間が発生し、元の標準またはパフォーマンスを評価するために校正された気象台に対してテストが必要でしょう。
我々 はまたそれらの条件外の放射線シールド性能の任意の外挿は慎重にすべきである、幅広い環境条件下で評価した現在のデザインを強調します。特に、このシールドの設計、両方の本の研究で、拡大版が導入された6をされた元論文では通常緯度赤道 ~ 45 度の緯度にあります高夏太陽角度でテストされました。低い季節の太陽の角度や長い変温 (高緯度や季節ごとに経験豊かなように) 両方の地域で建設を盾に異なったアプローチがより適切かもしれない。
小型で安価な温度ロガーの出現により、生物学者はますます個々 の有機体およびローカル生態学的プロセスに関連する罰金の空間スケールの空気温度を評価するために求めています。空気温度の微気候変動を理解することは最近と今後予想される気候変動に現地の生物学的反応に洞察力を提供できます。土壌、サーフェス、または体温として追加熱変数など、それぞれ独自の精度の考慮事項 5 月もある測定、空気の温度は共通通貨の歴史、現在、および予測気候研究。よくとり上げられるプロパティを持つ放射線シールドの一貫した使用はさまざまな研究の結果は意味のある比較できることになります。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
元の研究計画への貢献ありがとうエミリー Meineke と実験します。ありがとうライアン ボイルズ研究サイトと気象ステーションのデータへのアクセスを促進します。ハイメ Collazo、スティーブン フランクとエリカのヘンリーは、データロガーや放射線シールドを提供しました。研究サイトへのアクセスは、ノースカロライナ州の気候のオフィスによって承認されました。貿易、企業、または製品名の使用は説明目的のものは、米国政府の裏書を意味しません。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Multipurpose Aluminum Foil Tape | Nashua | 1087671 | 48 mm width |
| 8" cable ties | DTOL | GEN86371 | NA |
| Corrugated plastic sheet | Highway Traffic supply | hts18X24COROW | White sheet 18"L x 24"W, 5-pack |
| Standard utility knife | NA | NA | NA |
| Standard Scissors | NA | NA | NA |
| Heavy duty stapler | Swingline | 552277715 | NA |
References
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